機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書目

錄摘要引言

····························································1。機械手總體方案計

···················21。1設(shè)計要求························21.2動形式的選擇·····················21。3驅(qū)動方式的選擇·····················41.4體結(jié)構(gòu)設(shè)計·······················52。機械手手部設(shè)計

·····················62。1結(jié)構(gòu)分析························62.2算分析·························63。PLC控制統(tǒng)設(shè)計

····················113。1

機械手移動工件控制系統(tǒng)的控制要求···········113.2械手移動工件控制系的型資源配置133。3機械手移動工件控制系統(tǒng)的PLC程···········144.畫制作

··························

184.1

建立機械手模型······················184。2制作機械手的動畫····················18結(jié)束語

····························26致謝

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26參考文獻

···························26附錄

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27

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書摘

要機械手設(shè)計包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計檢測傳感系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計等是機械電子測、控制和計算機技術(shù)的綜合應(yīng)用。本課題通過對設(shè)計要求的分析，設(shè)計出機械手的總體方案，重點闡述了手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及控制系統(tǒng)硬軟件的設(shè)計，完成了整個系統(tǒng)工作的動畫設(shè)計。實現(xiàn)了機械手的基本搬運功能，達到了預(yù)期要求,具一定的應(yīng)用前景關(guān)鍵詞機械手PLC

動畫引

言隨著世界經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展類活動的不斷擴大，機器人應(yīng)用正迅速向社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域擴展,也從制造領(lǐng)域轉(zhuǎn)向非制造領(lǐng)域，各種各樣的機器人產(chǎn)品隨之出現(xiàn)。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化各機器人化的要求。隨著機器人的產(chǎn)生和大量應(yīng)用，很多領(lǐng)域，許多單一、重復(fù)的機械工作由機器人（也稱機械手）來完成。工業(yè)機器人是一種能進行自動控制的、可重復(fù)編程的,多功能的、多自由度的、多用途的操作機,

廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義.和計算機絡(luò)術(shù)一樣業(yè)機人的廣泛應(yīng)用正在日益改著人類的生產(chǎn)和生活方式.機械手是一種模仿人手動作，并按設(shè)定的程序來抓取、搬運工件或夾持工具，機械手可在空間抓放物體,動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于自動生產(chǎn)線、自動機的上下料、數(shù)控設(shè)備的自動換刀裝置中。機械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能組成，主要完成移動、轉(zhuǎn)動、抓取等動作.控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng)，它通過控制驅(qū)動系統(tǒng),讓執(zhí)器按照規(guī)定的要求進行工作,并檢測其正確與否?？删幊炭刂破鳎ㄊ且环N數(shù)定算操作的電子系統(tǒng)，它將輯運算、順

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書序控制、時序、計數(shù)、算術(shù)運算等控制程序，用指令形式存放在存儲器中，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種機械或生產(chǎn)過程。與繼電器控制線路相比有可靠性高、抗干擾能力強；編程簡單、使用方便設(shè)計、安裝容易,維護工作量少；功能完善、通用性強；體積小、能耗低等特點因此，機械手控制系統(tǒng)越平越多的由可編程控制器來實現(xiàn)。1機手體案計1。1設(shè)計要求：1。機械手能夠完成從一個工作點取物體旋轉(zhuǎn)一定角度,到另一個工作點上。2.要求完成手抓結(jié)構(gòu)的設(shè)計，進行夾緊力的計算分析。初值給定如下：工件質(zhì)量m=0.1kg摩擦系數(shù)μ=0.15重力加速度g=9.8m/s

2垂直加速度。3g=2。94m/s水平加速度a=0.3g=2.94m/s回轉(zhuǎn)半徑r=0.5m角速度ω＝3。5rad/s角加速度β。1rad/s2安全系數(shù)。45夾角φ＝45°3。要求選用PLC作為控制系統(tǒng)。1。2運動形式的選擇根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)常見機器人的運動形式有四種，下面分別論述其特點然后確定運動形式。1。直坐標型機器人

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書直角坐標型機器人的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-1示在軸上運動是獨立的,3個關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)關(guān)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作業(yè)這種形式的主要特點是(1)三個直線方向上移動，運動容易想象。(2）計算比較方便（3由于可以兩端支撐對于給定的結(jié)構(gòu)度，其剛性最大（4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。(5)求有較大的平面安裝區(qū)域。(6)動部件表面的密封較困難，容易被污染.2。圓坐標型機器人圓柱坐標型機器人的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1示，Rθ和為坐標系的三個坐標，其中R是手臂的徑向長度θ是手臂的角位置，垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點是:（1)容易想象和計算（2)能夠伸入形腔式機器內(nèi)部。（3）空間定位較直觀。（4)直線驅(qū)動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。(5）手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。極坐型器人極坐標型機器人又稱為球坐標機器人，其結(jié)構(gòu)圖如圖1-3示R，θ和β為坐標系的坐標.其中θ是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動角，β是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是：(1）在中心支架附近的工作范圍較大。（2)兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封。

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書（3覆蓋工作空間較大（4坐標系較復(fù)雜,較難想象和控制（5直線驅(qū)動裝置仍存在密封問題。（6存在工作死區(qū)。多關(guān)機人多關(guān)節(jié)機器人結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-4所示，它是以其各相運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。θ、α和φ為坐標系的坐標，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角,α是第二臂相對于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機器人手臂可以達到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點是：(1）動作較靈活，工作空間大。（2關(guān)節(jié)驅(qū)動處容易密封防塵。(3）工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4）適合于電動機驅(qū)動。（5)運動難以想象和控制計算量較大.（6）不適于液驅(qū)動。θ圖1—1直坐標型

圖1-2

圓柱坐標型

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書β

φαθ

θ圖1—3極標型

圖1-4

多關(guān)節(jié)型選擇方案的準則：1。滿足設(shè)設(shè)計要求：機械手能夠旋轉(zhuǎn)一定角度.2.結(jié)構(gòu)簡單，便于計算分析。分析比較以上四種運動形式定選用圓柱坐標型機器人。1.3驅(qū)方式的擇機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進行分析比較。1。液驅(qū)動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點：(1）液壓容易達到較高的壓力（常用液壓為2～6。3MPa積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩（2）液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度；（3)液壓傳動，力、速度和方向比較容實現(xiàn)自動控制;(4）液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。液壓傳動系統(tǒng)的不足之處是：（1)油液的粘隨溫度變化而變化,影響作性能，高溫容易引起燃爆炸等危險；（2)液體的泄難于克服，要求液壓元件較高的精度和質(zhì)量故價較高

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書（3）需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機構(gòu)，常用于大型機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動.2。氣驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比氣壓驅(qū)動的特點是:(1)壓縮空氣粘度小，容易達到高速；（2)利用工廠中的空氣壓縮站供氣，不添加動力設(shè)備；（3）空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè);(4）氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。它的不足之處是：（1）壓縮空氣常用壓力為～0若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對增大；（2）空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難要達到準確的置控制很困難；（3）壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹導(dǎo)致機器人失靈此外，排氣還會造成噪聲污染。氣動式驅(qū)動多用于點位控制、抓取、開關(guān)控制和順序控制的機器人。3。電機驅(qū)動電動機驅(qū)動可分為普通交、直流電動機驅(qū)動,交直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動.普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置,輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人.伺服電動機和步進輸出力矩相對小制性能好實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交、直伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng),而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。本課題設(shè)計的機械手的特點：1。點位控制進行搬運工作，采用順序控制方式。2。負載小，精度要求不高.

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書3.要求成本低根據(jù)以上特點，確定選用氣壓驅(qū)動.1.4總結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)圓柱坐標型運動方式和氣壓驅(qū)動方式的選定，對機械手進行總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，機械結(jié)構(gòu)由擺動氣缸、雙聯(lián)氣缸、單聯(lián)氣缸和氣爪組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1-5所示。圖1

機械手總體結(jié)圖2.械手設(shè)

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書2。1結(jié)構(gòu)分析機械手的手部是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，是用來握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類，本課題采用夾持類手部。夾持類手部又可分夾鉗式、托勾式和彈簧式。本課題選用夾鉗式,它是工業(yè)機器人最常見的一種手部手部動機構(gòu)可分回轉(zhuǎn)型、平動型和平移型?；剞D(zhuǎn)型的特點是當(dāng)手爪夾緊和松開物體時指作回轉(zhuǎn)運動.當(dāng)被物體的直徑大小變化時，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變.平動型的特點是手指由平行四桿機構(gòu)傳動，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動。和回轉(zhuǎn)型手爪一樣，夾持中心隨被夾持物體直徑的大小而變。平移型的特點是當(dāng)手爪夾緊和松開工件時指作平移運動，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。為便于夾持避免固定中心的麻煩,采平移型，圖所示的是靠導(dǎo)槽保持手指作平移運動。手部結(jié)構(gòu)也采用氣壓驅(qū)動。圖2-1

手部裝配圖2。2計算析因工件運動速度引起視在重量增加情況下的夾緊力計算機器人手臂停止狀態(tài)開始的直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的組合，所以伴隨有速度和加速度工件有了加速度，其視在重量就變化。設(shè)機械手手部縱向中心線上所加的驅(qū)動力為，P＝氣缸有效截面積×使用的氣壓×η作用在一個指尖上的夾緊力為（方向沿手指的運動方向.設(shè)個手指以摩

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書擦力2μQ,件重量為夾起件要計算的是單個手指所必須的力Q。1。垂上升的情況如圖2-2示工件以加速度a垂直上升,要使工件不掉下，下式必須成立.

ma得Q代入數(shù)據(jù)得Q

0.15

4.25N圖2-2

工件垂直上升受力分析圖2。水旋轉(zhuǎn)的情況機械手部繞垂直軸以半徑作水平旋轉(zhuǎn)，工件夾緊面與旋轉(zhuǎn)圓弧切線方向平行，如圖2-3所示。切線方向：2主法線方向QFn

)

2

QRn

)

2

副法線方向：)b

2

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書QRmrb聯(lián)立上式，求解得

)2

(r

22

r代入數(shù)據(jù)，得Q

20.15

7.37N后指：Q(

mamg))22由于是機械手部機構(gòu)，=Q，所以結(jié)果須滿足下式F

(22代入數(shù)據(jù)，得Q0.1

4520.15

3.55N

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書綜上所述,

圖2—4工件水平直進時受力析圖Q7.37N最大值由于考慮到設(shè)計的機械手的安全問題，

應(yīng)再乘上一個安全系數(shù)SQ安全值

最大值

10.69N夾緊力Q壓強的關(guān)系由實驗測得，如圖—5所示由設(shè)計要求得知夾持長度L＝25mm,據(jù)圖2-5可知所加的壓強約為0。5MPa

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書圖2-5夾力、夾持度、壓強關(guān)系圖3.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計3.1機手移動件控制系統(tǒng)的制要求3.1機械手移工件的基結(jié)構(gòu)、工作程和工作理1.機械手移動工件的基本機構(gòu)機械移動工件的基本結(jié)構(gòu)圖如圖所示

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書圖3-1

機械移動工件基本結(jié)構(gòu)圖2。

機械手移動工作的工作流程機械手移動工件單個工作流程示意圖如圖—2所示。機械手移動工件的單個工作流程由復(fù)位到初始位置、將機械手移動到工件處、夾緊工件、將工件移動到目標位置工件和移動到初始位置個過程組成機械手移動工件通過PLC平控制可以實現(xiàn)這個過程全自動依次運行。3。機手移動工件的工原理由于本機械手采用氣動傳動為方便檢測選用磁性開關(guān)作為傳感器安裝在氣缸外部即可機械手移動工件通過磁性限位開關(guān)與電磁閥來控制.(1)機械手左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左移、右移、上移、下移分別通過左轉(zhuǎn)電磁閥、右轉(zhuǎn)電磁閥、左移電磁閥、右移電磁閥、上移電磁閥、下移電磁閥來實現(xiàn)，移動或轉(zhuǎn)動的最大位置由左轉(zhuǎn)限位開關(guān)SL0右轉(zhuǎn)限位開關(guān)SL1左移限位開關(guān)右移位開關(guān)SL3上移限位開關(guān)SL4、下移限位開關(guān)SL5來控。

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書(2)放松、夾緊工件通過放松電磁閥、夾緊電磁閥來實現(xiàn)。夾緊工件通過定時器控制，根據(jù)實際情況緊時間設(shè)為秒。放松工件通過放松限位開關(guān)來控制。(1)下啟動按按鈕，系統(tǒng)先檢查機械手是否在初始位置，若不是機手先進行復(fù)位,然后再進入機械手正式工作狀態(tài)。按下停止按扭，等機械手運行到初始位置后，再停車。按下急停按鈕，斷開PLC外部負載電源和氣動裝置電源系統(tǒng)立即停止。開始復(fù)位移到工件處夾緊工件移到目標處放下工件移初置結(jié)束圖3-23.1.2備控制要求

機械手移動工單個工作流程該系統(tǒng)要求機械手能自動進行工作，轉(zhuǎn)動時要求回轉(zhuǎn)半徑最小，要具體控制要求如下:（1)按下啟動按鈕，系統(tǒng)進行自檢查機械是否在初始位置，不是的話先進行復(fù)位工作然后進行正式工作。(2）復(fù)位工作控制要求如下：①機械手首先上移，直到運動到最上端.②上移后，機械手開始右移。14

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書完后機手始轉(zhuǎn)至，位作成.（3正工控要如：手始移一運到左。到左后機手始下動最端，械開夾工,一到工夾為，間定器制時手始上動運到上。上后機手始移完后機手始轉(zhuǎn)直右限開檢到號完后機手移到低置,機械把件開一到松位關(guān)測信。松后機手始上動最端，械開左,左限開檢到號此機手加始置（4）統(tǒng)行動續(xù)環(huán)作正停時要機手到始置才停.停，斷有源系止行重啟后由急時械位的確，進復(fù)工。3。2機械手移動工件制系統(tǒng)的PLC選型和資配置3選型于械控系的入輸接少求價高編簡維便機小，選三公的FX1N-24MR-001型。場元機14入，10個輸點助電1536，時256計器點，數(shù)寄器8000點15

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書3.2.2統(tǒng)資源分配1觸點配根據(jù)系統(tǒng)控制要求，I/O分配如表3—1所示。表3—1

觸點分配表輸入設(shè)備輸入地址左轉(zhuǎn)限位開關(guān)SL0X000右轉(zhuǎn)限位開關(guān)SL1X001左移限位開關(guān)SL2X002右移限位開關(guān)SL3X003上移限位開關(guān)SL4X004下移限位開關(guān)SL5X005放松限位開關(guān)SL6X006啟動按鈕X007停止按扭X010

輸出設(shè)備左轉(zhuǎn)電磁閥右轉(zhuǎn)電磁閥左移電磁閥右移電磁閥上移電磁閥下移電磁閥放松電磁閥夾緊電磁閥

輸出地址Y000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007定時部這個控制系統(tǒng)夾緊工件需要定時器來控制夾緊程度。時間設(shè)為3秒。定時器分配如表3-2所示.表3-2

定時器分配定時器T03.2硬件電路線圖硬件電路接線圖如圖所示

功能夾緊工件時定時3s

機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計說明書COM0COM1

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～～

電源start

X000X001X002X003X004COM2X005X006X007X010圖3-3硬件電路接線

左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)左移右移上移下移放松夾緊3。3機械手移動工件制系統(tǒng)的PLC程序3.3編程軟件采用三菱公司編程軟件FXGP/WIN-C，其界面如圖示。3。3程序流程圖根據(jù)系統(tǒng)控制要求，畫出程序流程